Die Energiedichte bezieht sich auf die Energiemenge, die in einer bestimmten Raumeinheit oder Materiemasse gespeichert ist. Die Energiedichte einer Batterie ist die elektrische Energie, die durch das durchschnittliche Einheitsvolumen oder die Masse der Batterie freigesetzt wird. Die Energiedichte einer Batterie wird im Allgemeinen in zwei Dimensionen unterteilt: die gravimetrische Energiedichte und die volumetrische Energiedichte.

Was ist Energiedichte?
Die Energiedichte bezieht sich auf die Energiemenge, die in einer bestimmten Raumeinheit oder Materiemasse gespeichert ist. Die Energiedichte einer Batterie ist die elektrische Energie, die durch das durchschnittliche Einheitsvolumen oder die Masse der Batterie freigesetzt wird. Die Energiedichte einer Batterie wird im Allgemeinen in zwei Dimensionen unterteilt: die gravimetrische Energiedichte und die volumetrische Energiedichte.

Batteriegewicht Energiedichte = Batteriekapazität × Entladeplattform/Gewicht, die Grundeinheit ist Wh/kg (Wattstunde/kg)
Batterievolumetrische Energiedichte = Batteriekapazität × Entladeplattform/Volumen, die Grundeinheit ist Wh/L (Watt- Stunde/Liter)
Je höher die Energiedichte einer Batterie ist, desto mehr Strom kann pro Volumen- oder Gewichtseinheit gespeichert werden.

Was ist die Monomerenergiedichte?
Die Energiedichte von Batterien weist oft auf zwei unterschiedliche Konzepte hin, zum einen die Energiedichte einer einzelnen Zelle und zum anderen die Energiedichte des Batteriesystems.

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Batteriesystems. M Zellen bilden ein Modul und N Module bilden ein Batteriepaket, das die Grundstruktur einer Fahrzeugbatterie darstellt.

Die Energiedichte einer einzelnen Zelle ist, wie der Name schon sagt, die Energiedichte auf der Ebene einer einzelnen Zelle.

Laut „Made in China 2025“ wird der Entwicklungsplan für Power-Batterien präzisiert: 2020 wird die Energiedichte der Batterie 300 Wh/kg erreichen; 2025 wird die Batterieenergiedichte 400 Wh/kg erreichen; 2030 wird die Batterieenergiedichte 500 Wh/kg erreichen. Damit ist die Energiedichte auf Ebene einer einzelnen Zelle gemeint.

Was ist die Systemenergiedichte?
Die Systemenergiedichte bezieht sich auf das Gewicht oder Volumen des gesamten Batteriesystems, nachdem die Monomerkombination abgeschlossen ist. Da das Batteriesystem das Batteriemanagementsystem, das Wärmemanagementsystem, Hoch- und Niederspannungsschaltkreise usw. umfasst, die einen Teil des Gewichts und des Innenraums des Batteriesystems einnehmen, ist die Energiedichte des Batteriesystems geringer als die Energiedichte des Monomers.

Systemenergiedichte = Batteriesystemladung/Batteriesystemgewicht ODER Batteriesystemvolumen
Was genau begrenzt die Energiedichte von Lithiumbatterien?
Die Chemie hinter der Batterie ist der Hauptgrund.

Im Allgemeinen sind die vier Teile einer Lithiumbatterie sehr kritisch: die positive Elektrode, die negative Elektrode, der Elektrolyt und das Diaphragma. An den positiven und negativen Elektroden finden chemische Reaktionen statt, die den beiden Venen von Ren und Du entsprechen, und ihre Bedeutung ist offensichtlich. Wir alle wissen, dass die Energiedichte des Batteriepacksystems mit ternärem Lithium als positiver Elektrode höher ist als die des Batteriepacksystems mit Lithiumeisenphosphat als positiver Elektrode. Warum ist das?

Bestehende Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Graphit, und die theoretische Grammkapazität von Graphit beträgt 372 mAh/g. Die theoretische Grammkapazität des Kathodenmaterials Lithiumeisenphosphat beträgt nur 160 mAh/g, während das ternäre Material Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) etwa 200 mAh/g beträgt.

Nach der Barrel-Theorie wird der Wasserstand durch den kürzesten Teil des Barrels bestimmt, und die untere Grenze der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien hängt vom Kathodenmaterial ab.

Die Spannungsplattform von Lithium-Eisen-Phosphat beträgt 3,2 V, und dieser ternäre Indikator beträgt 3,7 V. Im Vergleich zu den beiden ist die Energiedichte hoch und der Unterschied beträgt 16%.

Neben dem chemischen System beeinflusst natürlich auch die Ebene des Produktionsprozesses wie Verdichtungsdichte, Foliendicke etc. die Energiedichte. Generell gilt: Je höher die Verdichtungsdichte, desto höher die Kapazität der Batterie auf begrenztem Raum, daher gilt die Verdichtungsdichte des Hauptmaterials auch als eine der Bezugsgrößen für die Energiedichte der Batterie.

In der vierten Folge von „Great Power II“ übernahm CATL 6-Mikron-Kupferfolie und nutzte fortschrittliche Technologie, um die Energiedichte zu verbessern.

Wenn Sie sich an jede Zeile halten können, lesen Sie bis zu diesem Punkt. Herzlichen Glückwunsch, Ihr Verständnis von Batterien hat ein neues Niveau erreicht.

Wie kann die Energiedichte verbessert werden?
Die Einführung neuer Materialsysteme, die Feinabstimmung der Lithiumbatteriestruktur und die Verbesserung der Fertigungskapazitäten sind die drei Phasen, in denen F&E-Ingenieure „anmutig tanzen“ müssen. Im Folgenden werden wir die beiden Dimensionen des Einzelnen und des Systems erläutern.
——Individuelle Energiedichte, hauptsächlich basierend auf Durchbrüchen in chemischen Systemen

1. Erhöhen Sie die Größe der Batterie

Batteriehersteller können den Effekt der Kapazitätserweiterung erzielen, indem sie die Größe der ursprünglichen Batterie erhöhen. Das Beispiel ist uns am besten bekannt: Tesla, der bekannte Elektroautohersteller, der den 18650-Akku von Panasonic führend eingesetzt hat, wird ihn durch einen neuen 21700-Akku ersetzen.

Die "fetten" oder "langen" Zellen sind jedoch nur eine vorübergehende Lösung, keine Ursache. Die Methode, Löhne vom Boden des Kessels zu ziehen, besteht darin, die Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Energiedichte der positiven und negativen Elektrodenmaterialien und Elektrolytkomponenten zu finden, aus denen die Batterieeinheit besteht.

2. Änderungen im chemischen System

Wie bereits erwähnt, wird die Energiedichte der Batterie durch die positiven und negativen Elektroden der Batterie gesteuert. Da die Energiedichte des Materials der negativen Elektrode viel höher ist als die der positiven Elektrode, ist es notwendig, das Material der positiven Elektrode kontinuierlich zu verbessern, um die Energiedichte zu verbessern.

Kathode mit hohem Nickelgehalt

Ternäre Materialien beziehen sich im Allgemeinen auf die große Familie der Nickel-Kobalt-Lithium-Manganat-Oxide. Wir können die Leistung der Batterie ändern, indem wir das Verhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan ändern.

Silizium-Kohlenstoff-Anode in Abbildung

Die spezifische Kapazität von Anodenmaterialien auf Siliziumbasis kann 4200 mAh/g erreichen, was viel höher ist als die theoretische spezifische Kapazität von Graphitanoden von 372 mAh/g, sodass es zu einem leistungsstarken Ersatz für Graphitanoden geworden ist.

Gegenwärtig ist die Verwendung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien zur Verbesserung der Energiedichte von Batterien zu einer der von der Industrie anerkannten Entwicklungsrichtungen von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien geworden. Das von Tesla herausgebrachte Model 3 verwendet eine Silizium-Kohlenstoff-Anode.

Wenn Sie in Zukunft einen Schritt weiter gehen und die 350-Wh/kg-Grenze für Einzelzellen durchbrechen wollen, müssen sich Branchenkollegen möglicherweise auf Lithium-Metall-Batteriesysteme vom negativen Typ konzentrieren, aber dies bedeutet auch, dass sich der gesamte Batterieherstellungsprozess ändert und Verfeinerung. An mehreren typischen ternären Materialien in China ist zu erkennen, dass der Anteil an Nickel immer höher und der Anteil an Kobalt immer geringer wird. Je höher der Nickelgehalt, desto höher die spezifische Kapazität der Zelle. Darüber hinaus wird aufgrund der Knappheit der Kobaltressourcen durch die Erhöhung des Nickelanteils die eingesetzte Menge an Kobalt reduziert.

3. Systemenergiedichte: Verbesserung der Gruppeneffizienz von Batteriepacks
Die Gruppierung von Batteriepaketen testet die Fähigkeit von Batterie-"Belagerungslöwen", einzelne Zellen und Module anzuordnen. Es ist notwendig, Sicherheit als Prämisse zu nehmen und jeden Zentimeter Platz optimal zu nutzen.

Um den Akkupack „abzuspecken“, gibt es hauptsächlich folgende Möglichkeiten.

Optimieren Sie das Layout
In Bezug auf die Außenabmessungen kann die interne Anordnung des Systems optimiert werden, um die Anordnung der Komponenten innerhalb des Batteriepakets kompakter und effizienter zu gestalten.

Topologieoptimierung
Wir realisieren Gewichtsreduzierungsdesign durch Simulationsrechnung unter der Prämisse, Steifigkeit und strukturelle Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Durch diese Technologie können eine Topologieoptimierung und eine Topografieoptimierung erreicht werden und letztendlich dazu beitragen, leichte Batteriekästen zu erzielen.

Materialauswahl
Wir können Materialien mit geringer Dichte auswählen. Beispielsweise wurde die obere Abdeckung des Batteriepakets schrittweise von einer herkömmlichen Blechabdeckung zu einer oberen Abdeckung aus Verbundmaterial umgewandelt, wodurch das Gewicht um etwa 35 % reduziert werden kann. Für den unteren Kasten des Batteriepakets wurde die traditionelle Blechlösung schrittweise in eine Aluminiumprofillösung umgewandelt, wodurch das Gewicht um etwa 40 % reduziert wurde und der Leichtbaueffekt offensichtlich ist.

Fahrzeugintegriertes Design

Das integrierte Design des gesamten Fahrzeugs und das Design der gesamten Fahrzeugstruktur werden berücksichtigt, und die Strukturteile werden so weit wie möglich geteilt, wie z. B. das Antikollisionsdesign, um das ultimative Leichtgewicht zu erreichen.

Die Batterie ist ein sehr umfassendes Produkt. Wenn Sie die Leistung eines Aspekts verbessern möchten, können Sie die Leistung anderer Aspekte opfern. Dies ist die Grundlage für das Verständnis von Batteriedesign und -entwicklung. Leistungsbatterien sind für Fahrzeuge bestimmt, daher ist die Energiedichte nicht das einzige Maß für die Batteriequalität.